Linux驅(qū)動及應(yīng)用設(shè)計(jì)45課件

Linux驅(qū)動及應(yīng)用設(shè)計(jì)中智訊培訓(xùn)中心2013-5Linux設(shè)備驅(qū)動介紹主要議題*2Linux字符設(shè)備框架LED字符驅(qū)動分析Linux驅(qū)動調(diào)試設(shè)備驅(qū)動程序3系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。應(yīng)用程序驅(qū)動程序設(shè)備writeread工作原理4用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個域。設(shè)備驅(qū)動程序特點(diǎn)5核心代碼：設(shè)備驅(qū)動程序是核心的一部分，像核心中其他的代碼一樣，出錯將導(dǎo)致系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷。一個編寫不當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序甚至能夠使系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致文件系統(tǒng)的破壞和數(shù)據(jù)的丟失；標(biāo)準(zhǔn)接口：設(shè)備驅(qū)動程序必須為Linux核心或者其從屬的子系統(tǒng)提供一個標(biāo)準(zhǔn)的接口；核心機(jī)制：設(shè)備驅(qū)動程序可以使用標(biāo)準(zhǔn)核心服務(wù)比如內(nèi)存分配、中斷發(fā)送和等待對列等；動態(tài)可加載：多數(shù)的Linux設(shè)備驅(qū)動程序可以在核心模塊發(fā)出加載請求時進(jìn)行加載，同時在不使用設(shè)備時進(jìn)行卸載，這樣核心可以有效地利用系統(tǒng)的資源可配置：Linux設(shè)備驅(qū)動屬于核心的一部分，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行配置來選擇適合自己的驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動的功能6對設(shè)備初始化和釋放把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)7Linux運(yùn)轉(zhuǎn)在兩種模式下，一種是用戶態(tài)，另一種是內(nèi)核態(tài)。內(nèi)核態(tài)有較高的權(quán)限，可以控制處理器內(nèi)存的映射和分配方式，訪問外設(shè)空間和處理器狀態(tài)寄存器，控制中斷等。用戶態(tài)只能運(yùn)行系統(tǒng)上的應(yīng)用程序。驅(qū)動程序作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，工作在內(nèi)核態(tài)。通過get_user,put_user,copy_from_user,copy_to_user等函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和驅(qū)動程序之間傳送數(shù)據(jù)（指針）。Linux設(shè)備驅(qū)動分類8網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動：Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSDunix的socket機(jī)制字符設(shè)備驅(qū)動：以字節(jié)為單位逐個進(jìn)行I/O操作；存取時不需要占用緩存塊設(shè)備驅(qū)動：讀寫都支持緩存，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取，還支持安裝文件系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動字符設(shè)備驅(qū)動塊設(shè)備驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動設(shè)備文件9Linux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以作為普通文件一樣來看待可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作對用戶來說，設(shè)備文件與普通文件并無區(qū)別字符設(shè)備和塊設(shè)備是通過文件節(jié)點(diǎn)訪問的。在Linux的文件系統(tǒng)中，可以找到（或者使用mknod創(chuàng)建）設(shè)備對應(yīng)的文件名，稱這種文件為設(shè)備文件。主設(shè)備號和次設(shè)備號10主設(shè)備號：標(biāo)識該設(shè)備的種類，也標(biāo)識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序主設(shè)備號的范圍只能是1-255Linux內(nèi)核支持動態(tài)分配主設(shè)備號次設(shè)備號：標(biāo)識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備同一個驅(qū)動程序可以管理多個設(shè)備，它們依靠次設(shè)備號來區(qū)別。次設(shè)備號只在驅(qū)動程序內(nèi)部使用，系統(tǒng)內(nèi)核直接把次設(shè)備號傳遞給驅(qū)動程序，由驅(qū)動程序去管理。udev設(shè)備文件系統(tǒng)11Linux2.6的內(nèi)核引進(jìn)了udev設(shè)備文件系統(tǒng)，拋棄了對devfs(Linux2.4)的支持，devfs和udev是生成設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)的兩種方法，devfs工作在內(nèi)核態(tài)，udev工作在用戶空間，/dev是設(shè)備文件的存放目錄Linux2.6下udev支持proc和sysfs等等虛擬文件系統(tǒng)；sysfs文件系統(tǒng)把連接在系統(tǒng)上的設(shè)備和總線組織成一個分級的文件，它們可以在用戶空間存取Linux2.6內(nèi)核通過一系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義了設(shè)備模型，設(shè)備模型與sysfs文件系統(tǒng)中的目錄和文件存在在一一對應(yīng)的關(guān)系，udev可以利用sysfs中記錄的信息和定義規(guī)則并提取主設(shè)備號和次設(shè)備號動態(tài)創(chuàng)建/dev設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)配置設(shè)備文件系統(tǒng)12在linux2.6內(nèi)核中，設(shè)備文件系統(tǒng)可在配置內(nèi)核時定制。Linux2.6內(nèi)核配置層次Filesystems->Pseudofilesystem->sysfsfilesystemsupport和/procfilesystemsupportLinux設(shè)備驅(qū)動介紹主要議題*13Linux字符設(shè)備框架LED字符驅(qū)動分析Linux驅(qū)動調(diào)試設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)過程14嵌入式Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)與普通Linux開發(fā)沒有區(qū)別?？梢栽谟布a(chǎn)廠家或者Internet上尋找驅(qū)動程序，也可以根據(jù)相近的硬件驅(qū)動程序來改寫，這樣可以加快開發(fā)速度。實(shí)現(xiàn)一個嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動的大致流程如下：查看原理圖，理解設(shè)備的工作原理。一般嵌入式處理器的生產(chǎn)商提供參考電路，也可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)。定義設(shè)備號。設(shè)備由一個主設(shè)備號和一個次設(shè)備號來標(biāo)識。主設(shè)備號惟一標(biāo)識了設(shè)備類型，即設(shè)備驅(qū)動程序類型，它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中設(shè)備表項(xiàng)的索引。次設(shè)備號僅由設(shè)備驅(qū)動程序解釋，區(qū)分被一個設(shè)備驅(qū)動控制下的某個獨(dú)立的設(shè)備實(shí)現(xiàn)初始化函數(shù)。在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的注冊和卸載設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)過程15設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write等實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)，并用request_irq向內(nèi)核注冊，中斷并不是每個設(shè)備驅(qū)動所必需編譯該驅(qū)動程序到內(nèi)核中，或者用insmod命令加載模塊測試該設(shè)備，編寫應(yīng)用程序，對驅(qū)動程序進(jìn)行測試Linux設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)16staticints5pv210_led_open(structinode*inode,structfile*filp){設(shè)備打開時的操作…}staticints5pv210_led_release(structinode*inode,structfile*filp){設(shè)備關(guān)閉時的操作…}Linux設(shè)備驅(qū)動程序的代碼結(jié)構(gòu)大致可以分為如下幾個部分：驅(qū)動程序的注冊與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理一個最簡單字符驅(qū)動程序，由下面6個函數(shù)和1個結(jié)構(gòu)體就可組成Linux設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)17staticints5pv210_led_write(structfile*file,constchar*buffer,size_tcount,loff_t*ppos){設(shè)備寫入時的操作…}staticints5pv210_led_read(structfile*file,constchar*buffer,size_tcount,loff_t*ppos){讀取設(shè)備時的操作…}staticstructfile_operationsmy_fops={對文件操作結(jié)構(gòu)體成員定義初始值…}staticints5pv210_led_write(structfile*file,constchar*buffer,size_tcount,loff_t*ppos){設(shè)備寫入時的操作…}Linux設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)18staticvoid__exits5pv210_led_exit(void){刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn)，注銷設(shè)備…}文件操作結(jié)構(gòu)體structfile_operations{

structmodule*owner;

loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);

ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);

ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);

int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);

unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);

int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);

int(*mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);

int(*open)(structinode*,structfile*);

……}19文件操作函數(shù)簡介20llseek(file,offset,whence)：修改文件的讀寫指針read(file,buf,count,offset)：從設(shè)備文件的offset處開始讀出count個字節(jié)，然后增加*offset的值write(file,buf,count,offset)：從設(shè)備文件的offset處寫入count個字節(jié)，然后增加*offset的值ioctl(inode,file,cmd,arg)：向一個硬件設(shè)備發(fā)命令，對設(shè)備進(jìn)行控制文件操作函數(shù)簡介21mmap(file,vma)：將設(shè)備空間映射到進(jìn)程地址空間open(inode,file)：打開并初始化設(shè)備release(inode,file)：關(guān)閉設(shè)備并釋放資源fsync(file,dentry)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間的同步通信fasync(file,on)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間的異步通信Linux設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)22struct

file_operationss5pv210_led_ctrl_ops={ .owner =THIS_MODULE,

.open =s5pv210_led_open,

.write =

s5pv210_led_write, .read =s5pv210_led_read, .release =s5pv210_led_release,};Linux2.6內(nèi)核使用C99標(biāo)準(zhǔn)初始化結(jié)構(gòu)體加載模塊的一般標(biāo)準(zhǔn)形式為卸載模塊的一般標(biāo)準(zhǔn)形式為模塊的加載和卸載23/*初始化設(shè)備*/staticint__initinitialization_funtion(void){}module_init(initialization_funtion);/*卸載設(shè)備*/staticvoid__exitexit_funtion(void){}module_exit(exit_funtion);Linux設(shè)備驅(qū)動介紹主要議題*24Linux字符設(shè)備框架LED字符驅(qū)動分析Linux驅(qū)動調(diào)試LED硬件連接圖25頭文件和變量聲明26/*頭文件聲明*/#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>#include<linux/kernel.h>#include<linux/sched.h>#include<asm/uaccess.h>#include<plat/gpio-cfg.h>#include<linux/gpio.h>#include<linux/cdev.h>#include<linux/fs.h>#include<linux/device.h>#defineDEVICE_LIST"led_test“ /*定義設(shè)備目錄*//*定義設(shè)備節(jié)點(diǎn)*/#defineDEVICE_NODE"led_light"#defineLED10x01#defineLED20x02#defineLED30x04#defineLED40x08staticdev_tnum_dev; /*定義申請?jiān)O(shè)備號的變量*/staticstructcdev*cdev_p; /*定義字符設(shè)備的變量*/staticstructclass*led_dev_class;staticunsignedcharled_status=0;/*定義一個LED狀態(tài)的全局變量*/s5pv210_led_open和s5pv210_led_release函數(shù)會在設(shè)備打開和關(guān)閉時被調(diào)用，其工作很簡單，僅僅執(zhí)行兩個函數(shù)try_module_get(THIS_MODULE)和module_put(THIS_MODULE)。這兩個函數(shù)負(fù)責(zé)記錄（增加或者減少）設(shè)備模塊被使用的情況，防止當(dāng)有應(yīng)用程序使用驅(qū)動程序時，此模塊被意外地卸載打開和關(guān)閉操作27staticints5pv210_led_open(structinode*inode,structfile*filp){try_module_get(THIS_MODULE);return0;

}staticints5pv210_led_release(structinode*inode,structfile*filp){module_put(THIS_MODULE);return0;}設(shè)置LED燈狀態(tài)28staticvoidset_led_status(unsignedcharstatus){

/*表示LED燈的狀態(tài)是否發(fā)生變化*/

unsignedcharled_status_changed;

led_status_changed=led_status^(status&0xF);

led_status=(status&0xF);

/*如果4個LED燈的狀態(tài)發(fā)生了變化*/

if(led_status_changed!=0x00){

/*判斷是否改變LED1燈的狀態(tài)*/

if(led_status_changed&LED1){

if(led_status&LED1)

gpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(0),0);

else

gpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(0),1);}/*判斷是否改變LED2燈的狀態(tài)*/if(led_status_changed&LED2){if(led_status&LED2)gpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(1),0);elsegpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(1),1);}/*判斷是否改變LED3燈的狀態(tài)*/if(led_status_changed&LED3){if(led_status&LED3)gpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(2),0);elsegpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(2),1);}

/*判斷是否改變LED4燈的狀態(tài)*/if(led_status_changed&LED4){if(led_status&LED4)gpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(3),0);elsegpio_direction_output(S5PV210_GPJ2(3),1);}}}copy_to_user和copy_from_user函數(shù)29unsignedlongcopy_to_user(void__user*to,constvoid*from,unsignedlongn)功能：從內(nèi)核空間拷貝一塊兒數(shù)據(jù)到用戶空間;To:

目標(biāo)地址，這個地址是用戶空間的地址；From:

源地址，這個地址是內(nèi)核空間的地址；N:

將要拷貝的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)返回值：如果數(shù)據(jù)拷貝成功，則返回零；否則，返回沒有拷貝成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn)功能：從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間To:

目標(biāo)地址，這個地址是內(nèi)核空間的地址；From:

源地址，這個地址是用戶空間的地址；返回者：如果數(shù)據(jù)拷貝成功，則返回零；否則，返回沒有拷貝成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)寫入操作30staticssize_ts5pv210_led_write(structfile*file,constchar*buf,size_tcount,loff_t*f_ops){unsignedcharstatus;if(count==1){/*向用戶空間寫數(shù)據(jù),如果寫失敗，則返回錯誤*/if(copy_from_user(&status,buf,sizeof(unsignedchar)))return-EFAULT;set_led_status(status);returnsizeof(unsignedchar);}elsereturn-EFAULT;}讀狀態(tài)操作31staticssize_ts5pv210_led_read(structfile*file,char*buf,size_tcount,loff_t*f_ops){/*從用戶空間讀取數(shù)據(jù),獲取LED燈的狀態(tài)*/copy_to_user(buf,(char*)&led_status,sizeof(unsignedchar));returnsizeof(unsignedchar);}設(shè)備控制初始化32staticints5pv210_led_ctrl_init(void){interr;structdevice*temp=NULL;unsignedintgpio;

/*GPIO口的初始化LED1,LED2,LED3,LED4，設(shè)置為輸出*/for(gpio=S5PV210_GPJ2(0);gpio<S5PV210_GPJ2(4);gpio++){s3c_gpio_cfgpin(gpio,S3C_GPIO_SFN(1));}/*動態(tài)注冊led_test設(shè)備,num_dev為動態(tài)分配出來的設(shè)備號(主設(shè)備號+次設(shè)備號)*/err=alloc_chrdev_region(&num_dev,0,1,DEVICE_LIST);if(err<0){printk(KERN_ERR"LED:unabletogetdevicename%d/n",err);returnerr;}cdev_p=cdev_alloc(); /*動態(tài)分配cdev內(nèi)存空間*/cdev_p->ops=&s5pv210_led_ctrl_ops;err=cdev_add(cdev_p,num_dev,1); /*加載設(shè)備驅(qū)動*/if(err){printk(KERN_ERR"LED:unabletoaddthedevice%d/n",err);returnerr;}

/*在/sys/class下創(chuàng)建led_test目錄*/led_dev_class=class_create(THIS_MODULE,DEVICE_LIST); if(IS_ERR(led_dev_class)){err=PTR_ERR(led_dev_class);gotounregister_cdev;}/*基于/sys/class/led_test和/dev下面創(chuàng)建led_light設(shè)備文件*/temp=device_create(led_dev_class,NULL,num_dev,NULL,DEVICE_NODE);if(IS_ERR(temp)){err=PTR_ERR(temp);gotounregister_class;}return0;unregister_class:class_destroy(led_dev_class);unregister_cdev:cdev_del(cdev_p);returnerr;}模塊初始化33*模塊的初始化*/staticint__inits5pv210_led_init(void){intret;ret=s5pv210_led_ctrl_init();if(ret){printk(KERN_ERR"Apply:S5PV210_LED_init--Fail!!!/n");returnret;}return0;}模塊注銷34/*模塊的退出*/staticvoid__exits5pv210_led_exit(void){device_destroy(led_dev_class,DEVICE_NODE);class_destroy(led_dev_class);cdev_del(cdev_p);unregister_chrdev_region(num_dev,1);}module_init(s5pv210_led_init);module_exit(s5pv210_led_exit);/*模塊許可證聲明，可是使用‘GPL’或者‘DualBSD/GPL’*/MODULE_LICENSE("GPL");Linux設(shè)備驅(qū)動介紹主要議題*35Linux字符設(shè)備框架LED字符驅(qū)動分析Linux驅(qū)動調(diào)試驅(qū)動調(diào)試*36Linux字符設(shè)備驅(qū)動編寫完成后，需要編寫Makefile文件，對其進(jìn)行編譯；然后編寫測試程序及Makefile，對其進(jìn)行調(diào)試測試。設(shè)備驅(qū)動Makefile*37INSTALLDIR =/opt/tftpifneq($(KERNELRELEASE),)obj-m:=led.oelseKERNELDIR:=/usr/local/src/s210x/x210_android-2.3/kernelPWD:=$(shellpwd)default: $(MAKE)-C$(KERNELDIR)M=$(PWD)modulesclean: rm-rf*.o*.order.*.cmd*.ko*.mod.c*.symversendifinstall:led.ko mkdir-p$(INSTALLDIR) cp--target-dir=$(INSTALLDIR)led.ko測試?yán)?include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>#defineDEVICE_NODE"/dev/led_light“intmain(intargc,char**argv){ intfd,i; unsignedcharstatus; unsignedchart; /*打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)*/ fd=open(DEVICE_NODE,O_RDWR); if(fd==-1){ printf("opendevice%serror\n",DEVICE_NODE); exit; }38while(1){ for(i=0;i<4;i++){ /依次點(diǎn)亮LED1..LED4 t=(1<<i)&0x0F; write(fd,&t,sizeof(i)); if(read(fd,&status,1)!=0) {

printf("ledstatus:%0x\n",status); } sleep(1); }}close(fd);return